T.HebbekerNeues aus Kosmologie und Astrophysik

Thomas HebbekerRWTH Aachen

November 2001

Überblick: Unser Universum

Fragen und Antworten (?) Dunkle Materie

Raumkrümmung

Evolution des Kosmos

Schwarze Löcher

Planetensysteme

Hochenergetische kosmische Strahlung

Forschung in AachenAMS

CMS

Kosmische Strahlung (?)

1.1

T.Hebbeker

Das heutige Universum

Materie:

• Galaxien1110

mit je 1110

Strahlung:• Sternenlicht

• Hintergrundstrahlung

Sternen

T = 2.7 K

T.HebbekerBig-Bang - Modell

Hubble 1929: Universum expandiert

dHv

Hoyle 1950: „Big Bang“ )1015(/1

//659a

MpcskmH

T.Hebbeker

Evo

luti

on d

es U

nive

rsum

s

s1010

min3

a1010

a000300

Kerne

Atome

heute

T.HebbekerFragen und Antworten (?)

Dunkle Materie

Raumkrümmung

Evolution des Kosmos

Schwarze Löcher

Planetensysteme

Hochenergetische kosmische Strahlung

T.HebbekerDunkle Materie ?

Gibt es große Mengen nichtleuchtender Materie im Kosmos ?Nachweis: Gravitation!

Untersuchung von Spiralgalaxien:

Messung der Rotationsgeschwindigkeit via Doppler-Effekt:

v(r) ist Maß für eingeschlossene Masse !

T.HebbekerDunkle Materie !

Erwartung: außerhalb des leuchtenden Teils der Galaxie:

rvrot /1~(wie Planeten im Sonnensystem)

2/1~ r

T.HebbekerEigenschaften der dunklen Materie ?

Quantität:

etwa 10 mal mehr dunkle als leuchtende Materie !

Beschaffenheit:

• ausgebrannte Sterne (= Baryonen) ?

passt nicht ins Urknall-Modell!

• Neutrinos mit Masse ?

aus Urknall:

aber: zu leicht (< 0.1 eV) !

• „neue“ Elementarteilchen ?

favorisierte Hypothese!

3/300~ cm

T.HebbekerIst der Raum „gekrümmt“ ?

Universum ? Einstein: ja!

„lokal“: Gravitationsfelder

„global“ (Kosmos): vielleicht

Symptom für nichteuklidischen=gekrümmten Raum:

Winkelsumme Dreieck

0180Veranschaulichung in 2 Dimensionen:

flach:offen

geschlossen

T.HebbekerGravitationslinsen (lokale Raumkrümmung)

Lichtstrahlen

= Geodäten

(minimale Laufzeit)

ErsteBeobachtung:

Lichtablenkung

nahe Sonne

(Eddington et al

1919)

Heute:

Einstein-Ring (Hubble-Teleskop)

T.HebbekerRaumkrümmung im Universum (global) ?

Zusammenhang mit Massendichte (materiedominiertes

Universum) :

teMassendichkritische

teMassendichmittlere

kritm

Falls :1m

kinetische Energie + potentielle Energie = 0

Raum flach=euklidisch

unendliche Expansion mit abnehmender Geschwindigkeit

Messung der Raumkrümmung:

Winkel-

messung:

3/3 mAtomeH

flach offen geschlossen

T.HebbekerDie kosmische Hintergrundstrahlung

Usprung: 300000 Jahre nach Urknall

<T> = 2.7 K

400 Photonen/ccm

KT 100

COBE

Boomerang

T.HebbekerDie Raumkrümmung im Universum

geschlossen flach offen

passt am besten:

06.006.1

Distanzberechenbar

Abstand = 15 Mrd J.

T.Hebbeker

Evo

luti

on d

es U

nive

rsum

s I

Ein

heit

: 1

/ M

illi

arde

n Ja

hre

E

inhe

it:

dim

ensi

onsl

os

Skalenparameter R:

Abstand zwischen zwei

entfernten Galaxien(clustern),

(z.B. Andromeda = NGC 224

und MS1054-0321

ca. 8 Milliarden Lichtjahre )

Mess

un

g d

er

Exp

an

sionsg

esc

hw

ind

igke

it

T.Hebbeker

Evo

lut i

on d

es U

n ive

rsum

s I I

Evolution

wird durch

Massendichte

bestimmt:

Verg

l ei c

h m

it B

ig-B

an

g-

Modell r

ech

nu

ng

en

Mess

un

g d

er

Expan

sions-

Besc

hl e

unig

ung kritm /

direkte

Messung

schwierig!

T.Hebbeker

Evo

luti

on d

es U

nive

rsum

s II

IErw

eit

ert

es

Modell:

Ein

stein

s „k

osm

olo

gis

che K

on

stan

te“

„dunkleEnergie“

wirkt abstossend!

1 m

da Raum „flach“

T.HebbekerEvolution des Universums IV

Ergebnis: Beschleunigte Expansion !

Wie misst man R, und dR/dt und dR/dt(t) ?Relativ einfach:

• dR/dt aus Rotverschiebung

der Wellenlängen

Schwierig:

• absolute Entfernung R

aus scheinbarer Helligkeit ( ) von

„Standardkerzen“ = Supernovae vom Typ Ia

Zeitabhängigkeit:

• weit entfernte Galaxien = alt !

2/1~ R

T.HebbekerSupernovae Ia

Helligkeit:

gleich

groß

Explosion wenn Masse kritischen Wert

Sonne m 4. 1

erreicht!

T.HebbekerSchwarze Löcher in Galaxienzentren

Zentrum der

Milchstrasse

Radioquelle Sgr A

Messung der Eigenbewegungder Sterne dicht am Zentrum(0.1 – 10 Lichtjahre):

Eingeschlossene Masse =

3 Millionen SonnenmassenSchwarzes LochSgr A =

infrarot

T.HebbekerSchwarze Löcher aus Supernovae

massive Supernovareste = schwarze Löcher ?

Schema

Todesspirale beobachtet: Cygnus XR-1 (Sternbild Schwan, 6000 Lichtjahre)

Simulation:

wenig Licht

viel Licht

T.HebbekerSchwarze Löcher

Evidenz für schwarze Löcher:

• „klein“: ausgebrannte Sterne (Supernovae-Rest)

• „groß“: Zentrum von (allen ?) Galaxien

Bedeutung ?

Noch nicht beobachtet:

• Mini-Löcher

• Verdampfende Schwarze Löcher

• ...

T.HebbekerPlanetensysteme

Gibt es andere

Planetensysteme ?

Werden alle Sterne von Planeten umkreist ?

Gibt es erdähnliche Planeten ?

Gibt es extraterrestrisches Leben ?

Ja! bereits etwa 70 Planeten gefunden !

„Unser“ Sonnensystem:

T.HebbekerPlanetensysteme

Nachweismethoden:

a) Stern „wackelt“ periodisch:

b) Stern wird periodisch verdunkelt:

T.HebbekerPlanetensysteme

Lebewesen wurden leider noch nicht gefunden....

Bisherige Beobachtungen zeigen:

Planetensysteme eher Regel als Ausnahme

Planeten groß und nahe am Stern (?)Kein erdähnlicher Planet

T.HebbekerKosmische Strahlung hoher Energie

Nachweis: Detektoren am Erdboden

primäre kosmische

Teilchen mit (kin.) Energie

wurden nachgewiesen !

GeV1110= Tennisball !

Erzeugung im Weltall:

unverstanden!

ungehinderter „Transport“:

„unmöglich“ ?

Protonmasse: 1 GeV

T.HebbekerForschung in Aachen

AMS

CMS

Kosmische Strahlung (?)

T.HebbekerAntimaterie im Universum ?

Gibt es Antimaterie ?

Ja ! Positron (1931), Antiproton (1955), Antiwasserstoff (1995)

Gibt es Antiteilchen im Universum ?

Ja ! Positronen, Antiprotonen...

= Sekundärprodukte von Teilchenkollisionen

Gibt es Anti-Galaxien/-Sterne/

-Lebewesen ?

erfordert schwere Anti-Kerne

Wahrscheinlich nicht !

Fundamentale Asymmetrie Materie–Antimaterie: Teilchenphysik!

T.HebbekerAMS = AlphaMagneticSpectrometer = AntiMatterSearch

Gibt es schwere Anti-Kerne im Universum ?

Ergebnis: Bisher kein Antihelium ... gefunden

Aac

hen:

Phy

s . I

nst.

I B

und

III

B

T.Hebbeker

Hohe Kollisionsenergie:

• hohe Ortsauflösung (Substruktur ?)

• Erzeugung schwerer neuer Teilchen

• Erzeugung schwarzer Löcher ?

• Simulation des frühen Universums

1 MeV =

10 GeV =

10 TeV =

Elementarteilchenphysik am CERN, Genf

„erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält“:

elementare Teilchen fundamentale Kräfte

Protonmasse: 1 GeV

s1

s1

s610

s1110

LHC: 14000 GeV

T.HebbekerCMS = CompactMuonSolenoid

Beschleuniger „LHC“

= Large Hadron Collider

CMS

Start: 2006

Phys. Inst. I B, IIIA und III B

T.HebbekerNetz von Detektoren für kosmische Strahlung

10000 Detektoren

Abstand ~ 1 km

auf Dächern

Erforschung höchstenergetischer kosmischer Strahlung

SkyView

Einbeziehung von Schulen !

Mitwirkung von Lehrern, Schülern !

Aac

hen:

Phy

s . I

nst.

III

A (

?)

T.HebbekerZusammenfassung

Faszinierende neue Ergebnisse,

die unser Weltbild prägen werden

ABER: Viele Resultate neu und

Interpretationen nicht eindeutig!

... often wrong but never in doubt...

„goldenes Zeitalter der Kosmologie“

http://www.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/welcome.html#presentations

T.HebbekerWWW-Adressen

(Bilder vom) Hubble Space Teleskop

Schwarzes Loch in Milchstrasse

Vorlesungen + Linksammlung Astrophysik

AMS-Experiment

CERN

SKYVIEW

Expansion des Universums

Hintergrundstrahlung und Raumkrümmung

Schwarze Löcher und Ereignishorizont

Planetensysteme

T.HebbekerBücher

• H.V. Klapdor-Kleingrothaus und K. Zuber: Teilchenastrophysik, Teubner, 1997

• C. Grupen: Astroteilchenphysik, Vieweg, 2000

• A. Unsöld, B. Bachel: Der neue Kosmos, Springer 1999

• M. Rowan-Robinson: Cosmology, Clarendon Press, 1996

• S. Weinberg: The first three minutes, Basic Books, 1993

T.HebbekerAnhang A: Big-Bang - Modell

Hubble 1929: Universum expandiert

dHv

Hoyle 1950: „Big Bang“

)1015(/1

//659a

MpcskmH

T.HebbekerAnhang B: Sagittarius A

infrarot, Geschwindigkeiten bis 1000 km/s !

T.Hebbeker

Supernovae Typ Ia

= „Standardkerze“

Fluchtgeschwindigkeit

Hel

ligke

itAnhang C: Messung der Expansion

Ent

fern

ung

~ A

lter

tvd

tvd

logloglog

T.Hebbeker

Bild 1 Bild 2

(3 Wochen später)

Bild 2 – Bild 1

Anhang D: Supernova-Explosion

T.HebbekerAnhang E:

Schwarzes Loch Cygnus XR-1

T.HebbekerAnhang F: Agasa-Detektor